Устройство для отбора высших гармоник Советский патент 1983 года по МПК H02M5/16 

Изобретение относится к устройст вам умножения частоты и предназначе но для комбинированной нагрузки, требующей источников постоянного то ка и переменного тока повышенной ча тоты. Известно сглаживание двухполупериодного выпрямленного однофазного напряжения, использующее фильтры, настроенные на вторую гармонику. При замене в таком фильтре дросс ля на трансреактор можно получить устройство отбора высшей гармоники с максимальной амплитудой С 1J« Недостаток известного устройства состоит в том, что значительна помеха от гармоники с ближайшей по величине амплитудой (.четвертой гармоники) . Известен также умножитель частоты, содержащий ферромагнитные серде НИКИ с расположенными на них входны ми, управляющими, опорными и выходны ми обмотками,формирователь амплитуд но-модулированного сигнала, генератор высокой частоты, демодуляторы, выпрямитель, подключенный к управляю щей обмотке одного из сердечников и дополнительные выпрямители, причем управляющая обмотка каждого из остальных сердечников соединена через соответствующий дополнительный выпрямитель с выходной обмоткой предыдущего сердечника С2 3Это устройство обеспечивает получение на выходе целого ряда частот. Недостаток этого устройства состоит в том, что оно является относительно сложным, содержит специальны источники амплитудно-моделированного сигнала и постоянного напряжения. Наиболее близким к изобретению является устройство для отбора высших гармоник, содержащее выпрямитель выход постоянного тока которого чере первичную обмотку трансреактора соединен с выводами для подключения нагрузки по постоянному току, вторична обмотка трансреактора образует выход ные выводы для подключения первой нагрузки по высшей гармонике, параллельно упомянутым выводам для подключения нагрузки по постоянному току включена цепочка из двух последовательно соединенных конденсаторов C3J. Недостатки этого устройства заключаются в ТОМ, что только косвенно использованы конструктивные возможности трехфазной питающей сети, а также в невозможности увеличения кратности частоты отбираемых гармоIHHK, и невозможности подключения нескольких нагрузок по высшим гармоникам. Цель изобретения - увеличение кратности частоты отбираемых гармоник, а также расширение функционал ных возможностей путем образования дополнительных выходных выводов для подключения нагрузок по высшим гармоникам. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для отбора высших Гслрмоник, содержащем выпрямитель, выход постоянного тока которого через первичную обмоткутрансреактора соединен с выводами для подключения нагрузки по постоянному току, вторичная обмотка трансреактора образует выходные выводы для подключения первой нагрузки по высшей гармонике, параллельно упомянутым выводам для подключения нагрузки по постоянному току включена цепочка из двух последовательно соединенных конденсаторов, выпрямитель выполнен многофазным, первичная обмотка упомянутого трансреактора выполнена в виде двух секций, одни концы которых подключены к соответствующим выводам для подключения нагрузки, по постоянному току, а кахщый из других концов соединен с соответствующим выходным выводом указанного многофазного выпрямителя, и дополнительно введены многофазный и однофазный трансформаторы, дополнительный однофазный выпрямитель, дополнительный трансреактор, переключающий элемент и фазоповоротная Rc-цепочка, причем вторичная обмотка.многофазного трансформатора соединена в звезду и подключена ко входу многофазного выпрямителя, его первичная обмотка соединена с выводами для подключения питающей сети, нулевая точка звезды указанной вторичной обмотки и общая точка соединения конденсаторов образуют выводы для подключения второй нагрузки по высшей гармонике, параллельно этим выводам подключена пер-вичная обмотка однофазного трансформатора, вторичная обмотка которого соединена со входом однофазного выпрямителя, один выход постоянного тока которого соединен с одним из указанных выходных выводов для подключения нагрузки по постоянному току, а его другой выход через первичную обмотку дополнительного трансреактора, зашунтированную через переключающий элемент фазоповоротной RC-цепочкой, соединен с другим выходным выводом для подключения нагрузки по постоянному току, а вторичная обмотка дополнительного трансреактора образует выводы для подключения третьей нагрузки по высшей гармонике. Кроме того, в устройстве для отбора высших гармоник, с целью отбора третьей и двух шестых гармоник, многофазный трансформатор выполнен трехфазным, а многофазный выпрямитель вылолнен по трехфазной мостовой схеме. На фиг . 1 представлена принципиаль ная схема устройства для отбора высших гармоник; на фиг.2 - кривые напряжений на входе и выходе устройст-ва в трехфазном симметричном режиме, условно обозначаемом (1:1:1); на фиг. 3 - то же, например,.при чистом двухфазном режиме токов в линии, условно обозначаемом (1:1:0); на фиг.4 - то же, например, при особом двухфазном режиме токов в линии, условно обозначаемом (1:0,5:0,5). Устройство для отбора высших гармоник на фиг.1 имеет выводы 1, 2 и 3 вторичных обмоток трех однофазных (или одного трехфазного) трансформаторов, непокаэанные первичные обмотк которых подсоединены к источнику трехфазного напряжения, остальные выводы соединенных в звезду вторичных обмоток образуют нейтральный вывод 4. К выводам 1, 2 и 3 подсоедийен вход трехфазного мостового выпря мителя 5, на выходе которого две сек ции первичной обмотки трансреактора б включены согласно с двух сторон к выводам 7 и 8 для нагрузки по постоянному току 9. Параллельно нагруз ке 9 включена цепочка последовательно соединенных конденсаторов 10 и 11 Между средним выводом 12 этих конден саторов и нeйтpaльны л выводом 4 вклю чена нагрузка 13 по третьей гармонике, параллельно которой подключен однофазный трансформатор 14, элемент 13 и 14 могут быть также соединены последовательно. К трансформатору 14 подключен однофазный мостовой выпрямитель 15, выход которого через первый режимный переключатель 16 и дополнительный трансреактор 17 с параллельной фазоповоротной цепью RC (резистор 18 и конденсатор 19) подсоединен параллел но выводам 7 и 8 у выпрямителя 5. Ко вторичным обмоткам трансреакторов 6 и 17 подсоединены, соответственно, нагрузка 20 и 21 (например обмотки двухфазного двигателя). Во втором положении переключателя 16 к выходу выпрямителя 15 подключены выводы 22 для подсоединения, например, тормозной обмотки поляризованного реле в трехфазном многофункциональном токовом реле (не показано). Фазоповоротная цепь может быть отсоединена от трансреактора 17 переключающим элементом 23, она также может быть подключена параллельно вторичной обмотке трансреактора 17, причем в ней вместо резистора -18 можно исполь зовать нагрузку 21. В последнем случае, чтобы сделать приблизительно одинаковой мощность, отдаваемую нагрузкам 20 и 21, можно у трансреактора 17 выполнить дополнительную вторичную обмотку, которую подсоединить параллельно нагрузке 20 с учетом рассматриваемь-к д.алъше полярностей и сдвига фаз у двух источников шестых гармоник, Аналогично можно отдавать всю мощность обоих источников шестых гармоник на одну общую нагрузку (например установку индукционного нагрева). Устройство на фиг.1 работает следующим образом. Выпрямитель 5 состоит из двух трехфазных однополупериодных выпрямителей , у которых четные гармоники (, 12-я и т.д.) совпадают по фазе, если одинаковы знаки постоянных составляющих у этих выпрямителей, а нечетные гармоники (третья, девятая и т.д.) противоположны по фазе. Для нагрузки 9 по постоянному току и нагрузки 20 по шестой гаромнике .эти два однополупериодных выпрямителя соединены последовательно и согласно, вследствие чего складываются постоянные составляющие их напряжений, а также однотипные четные гармоники, причем однотипные нечетные гармоники, вычитаясь, взаимно компенсируются. В нагрузке 13 по третьей гармонике токи постоянных составляющих и однотипных четных гармоник от упомянутых однополупериодных выпрямителей направленЕ встречно и взаимно компенсируются, а токи однотипных нечетных гармоник складываются. I Поскольку в устройстве произво|дится отбор двух высших гармоник с преобладающими амплитудами/ то цепочка конденсаторов 10 и 11 включены так, чтобы не шунтировать трансреактор 6, отбирающий шестую гармонику, а секции первичной обмотки трансреактора 6 включены согласно с обеих сторон нагрузки 9 по постоянному току, чтобы равц ялись нулю суммарные намагничивающие ампервитки у каждой из нечетных гармоник. Для увеличения отбираемой мощности по шестой гар.монике предусмотрен трансформатор 14 и выпрямитель 15, с помощью которых напряжение третьей гармоники выпрямляется, причем полученная постоянная составляющая подается параллельно нагрузке 9 основного выпрямителя 5 (двухкратное использование нагрузки9), а полученная вторая от третьей (шестая) гармоника через дополнительный трансреактор 17 поступает на нагрузку 21, Без фазоповоротной цепи из резистора 18 и конденсатора 19 шестые гармоники, поступающие на трансреакторы 6 и 17, находятся в противофазе, если за начала обмоток брать выводы, отмеченные точками, с учетом этого соединяются вторичные обмотки трансреакторов 6 и 17 для работы на общую нагрузку. На фиг.2 для трехфазного симметричного режима (1:1:1) даны сплошной линией кривые фазных напряжений на выводах 1, 2 и 3 вторичной обмотки трехфазного трансформатора, относительно нейтрального вывода 4,пунктиром показаны выпрямленные отрицательные полуволны этих же напряжеНИИ. Напряжение на выходе мостового трехфазного выпрямителя 5 показано редкой штриховкой между максимальными и минимальными мгновенными значениями кривых, выполненных сплошной линией, заметна постоянная составляющая с шестой-гармоникой. Напряжение между выводами 12 и . 4 для нагрузки по третьей гармонике показано густой штриховкой в виде стрелок, направленных от сплошной линли к пунктирной, заметна третья гармоника.

На фиг.3 аналогично показаны кривые для чистого двухфазного режима (1:1:0), под которым подразумевается на входе выпрямителя 5 два равных по величине и противоположных по фазе напряжения на выводах обмоток 1 и 2 трехфазного трансформатора (относительно вывода 4), когда треть напряжение равно нулю. Такой режим . можно получить, если на фиг.1 сделать разрыв цепи между выводом 3 и входом выпрямителя 5. На фиг.3 заметно, что на выводах 7 и 8 устройства нет нечетных гармоник, но есть постоянная составляющая со второй и остальными четными гармониками.

На фиг.4 аналогично показаны кривые для особого двухфазного режима (1:0,5:0,5),под которым подразумеваются на входе выпрямителя 5 два равных по величине и совпадающих по фазе напряжения (относительно вывода 4), когда третье противоположно по фазе, имея вдвое большую амплитуду. Такой режим можно получить, если на фиг.1 проводник от входного вывод выпрямителя Ь отсоединить, например, от вывода 3, подключив к выводу 2 совместно с имеющимся там пройодником от выпрямителя 5. На фиг.4 заметно,что на выходах 7 и 8 устройства есть постоянная составляющая со второй гармоникой, а на выводах 12-4 имеется первая гармоника (густая штриховка стрелками).

Дополнительно к фиг. 2-4 в таблице дано отношение величин к амплитуде фазного напряжения между одни из выводов 1, 2 и 3 обмоток трехфазного трансформатора и нейтральным вы,водом 4; в двухфазных режимах для тФ амплитуда наибольшего, напряжения.

.В первой строке таблицы дана постоянная составляющая в.нагрузке 9 по постоянному току. Во второй строке для трехфазного симметричного режима (1:1:1) дана амплитуда третьей гармоники в нагрузке 13, причем

вместо ..сложения токов от двух трехфазных однополупериодных выпрямителей сделано сложение соответствующих напряжений, что при вычислении выходной мощности равноценно. В особом двухфазном режиме (1:0,5:0,5) напряжение- на нагрузке 13 имеет частоту первой гармоники, о чем в таблице написано под чертой. В третьей строк таблицы для симметричного режима (1:1:1) дана амплитуда шестой гармоники в нагрузке 20, в двухфазных режимах на этой нагрузке появляется напряжений второй гармоники. В четвертой строке таблицы дана амплитуда напряжения преобладающей гармоники на выходе выпрямителя 15, в трехфазном симметричном режиме (1:1:1) это шестая гармоника (вторая от третьей), а в особом двухфазном режиме (1:0,5:0,5) это вторая гармоника.

Из фиг. 2-4 и таблицы видно, что в трехфазном симметричном режиме предложенное устройство на нагрузке 9 выделяет постоянную составляющую, на нагрузке 13 - третью гармонику, на нагрузке 20 - непосредственно отобранную шестую гармонику, на нагрузке 21 - шестую гармонику, полученную путем умножения третьей гармоники с помощью выпрямителя 15. При этом эквивалентное напряжение шестой лгармоники на нагрузке 21 может в 1,86 раза превышать аналогичное напряжение на нагрузке 20. Кроме того, нап эяжение. гарконики на нагрузке 21 может быть сдвинуто по фазе. Используя особый двухфазный режим, можно производить ступенчатую регулировку с заменой третьей гармоники на первую, а шестой - на вторую, изменяя при этом постоянную составляющую.

Предложенное устройство можно применить в следующих условиях.

Для питания повышенной частотой 300 Гц устройств автоматики, например, быстродействующих магнитных усилителей, управляющих-основной нагрузкой постоянного тока, также подсоединенной к предлагаеглому устройству. Для индукционного нагрева частотой 150-300 Гц относительно малых металлических деталей (при возможности полезно применить напряжение постоянной составляющей, создаваемое в устройстве),

Для питания повышенной частотой 150-300 Гц вспомогательных двухфазных регулируемых высокоскоростных двигателей, когда основными потребителями являются, нйпримёр, двигатели постоянного тока, которые подсоединены также к предложенному устройству. Получение источника 300 Гц для второй фазы двигателя обеспечивает дополнительный трансреактор 17

(см. фиг. 1), если подсоединена фаэ лповоротная цепь переключающим элементом 23. Вторую фазу для обоих повьоиенных частот (третьей и шестой гармоник) можно получить, подсоединив к выводам 7 и 8 (см«фиг.1) однофазньай инвертор. Для двухфазного двигателя два источника третьих гармоник, сдвинутых по ф&зе на 90°, можно получить без инвертора, если к двум источникам трехфазных напряжений основной частоты, сдвинутых по фазе на 30, подсоединить по одному комплекту предложенного устройства. Можно применить предложенное устройство для получения трехфазного

многофункционального токового реле защиты, которому наибольшее количество энергии потребуется от выводов напряжения постоянной составляющей.

Таким образом, особенности предложенного устройства обеспечивают увеличение кратности частоты отбираемых, гармоник (третья и шестая), а гакже расширение функциональных возможностей путем образования двух выходов у шестой гармоники, что позволяет получить или два напряжения шестой гармонкки, сдвинутые по фазе, или одно с повышенной мощностью.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТБОРА ВЫСШИХ ГАРМОНИК, содержащее выпрямитель, выход постоянного тока которого через первичную обмотку трансреактора соединен с выводами для подключения нагрузки по постоянному току, вторичная обмотка трансреактора образует выходные выводы для подключения, первой нагрузки по высшей гармонике, параллельно упомянутым выводам для подключения нагрузки по постоянному току включена цепочка . из двух посл.едовательно соединенных конденсаторов, отличающеес я тем, что, с целью увеличения кратности частоты отбираемых гармоник, а также расширения функциональных возможностей путем образования дополнительных выходных выводов для подключения нагрузок по высшим гармоникам, выпрямитель выполнен многофазным, первичная обмотка упомянутого трансреактора выполнена в виде двух.секций, одни конщл которых подключены к соответствующим выводам для подключения нагрузки по постоянному току, а каждый из других кон} p /4 fT 4 JTi ; цов соединен с соответствуюищм выходным выводом указанного многофазного выпрямителя и дополнительно введены, многофазный и однофазный ,трансформаторы, дополнительный одно;фазный выпрямитель, дополнительный трансреактор, переключающий элемент и фазоповоро.тная RС-цепочка, причем вторичная обмотка многофазного трансформатора соединена в звезду и подключена ко входу многофазного выпрямителя, его первичная обмотка соеди- нена с выводами для подключения питающей сети, н.улевая точка звез.ды указанной вторичной обмотки и общая точка соединения конденсаторов образуют выводы для под1 лючения второй j нагрузки по высшей гармонике, параллельно этим выводам подключена пер вичная обмотка однофазного трансфорС матора, вторичная обмотка которого соединена со входом однофазного выпрямителя, один выход постоянного To-;s ка которого соединен с одним из ука- занных выходных «выводов для подключения нагрузки по постоянному току, о а его другой выход через первичную обмотку дополнительного трансреактоСП ра, зашунтированную через переключаю4 щий элемент фазоповоротной R С-цепочкой, соединен с другим выходным 00 выводом для подключения нагрузки по о: постоянному току, а вторичная обмотка дополнительного трансреактора образует выводы для подключения третьей .нагрузки по высшей гармонике. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью отбора третьей и двух шестых гармоник, многофазный трансформатор выполнен трехфазным, а многофазный выпрямитель выполнен по трехфазной мостовой схеме.